Características generales de un bus de datos de aviónica

Tecnología Electrónica
3º Ingeniero Aeronáutico
Características generales de un bus de datos
de aviónica
Dra. Mª Ángeles Martín Prats
Curso 2010/2011
Objetivos
Estudiar las características generales de un
bus de datos de aviónica.
Buses ARINC 429
Reseña histórica
1950 -1960: conexiones entre los sistemas reducidas al mínimo dado su
elevado grado de complejidad y coste
La mayoría de las gestiones
de comandos se realizaban de manera mecánica.
Años 70: las aplicaciones informáticas en la aviónica se multiplican hasta
llegar a la instrumentación y sistemas modernos, tanto de control como de
telecomunicación.
Necesidad de desarrollar buses de datos aviónicos.
Estandarización:
– Objetivo: reducir costes y tiempos de desarrollo, debido al rápido
crecimiento de las funciones y complejidad en los sistemas, que en la
actualidad son versátiles, flexibles y de bajo coste gracias a los
sistemas microprocesadores.
Surge nueva tendencia: la aviónica
modular integrada
Reseña histórica
Aparece nueva tecnología para aviación civil tras II GM
Surge necesidad de regulación: adquiere importancia la
empresa ARINC (Aeronautical Radio Incorporated)
Se establecen estándares en tecnología de aviación civil y
militar
Estándares aplicados originalmente en EEUU, pero que se
utilizan después en todo el mundo
Sector de la aviónica muy controlado por los estándares
hasta que se liberaliza en 1978
Después de 1978, sin embargo, se han seguido usando los
estándares ARINC
Buses de datos de los
Sistemas aviónicos digitales
Aumento del número de sistemas y componentes
digitales instalados en las aeronaves modernas
Necesidad de reducir el cableado
Han generado el desarrollo y
empleo de nuevas vías de
transmisión de datos:
Buses aviónicos
Introducción
Necesidad de transferir datos entre los distintos
sistemas que integran un avión
Reducir complejidad del cableado, de los
conectores, del mantenimiento
Mejorar la fiabilidad
Reducir el peso del avión.
Bus de datos:
Proporciona un medio para el intercambio
de datos y de información entre distintos
sistemas, a través de un mismo cable.
Multiplexación y demultiplexación de datos.
Buses de datos
Los sistemas de a bordo de un avión procesan y
transmiten información:
Proceso de captura, transmisión y
almacenamiento de datos de vuelo→ redes
Estas redes reciben el nombre de buses de datos
y siguen las normas ARINC
Necesidad de aumentar la versatilidad de un sistema →
una modificación de las especificaciones no implica el
cambio de ningún elemento físico.
Se pretenden sondear datos de los sistemas del avión.
Sistemas de aviónica (Altímetro, Horizonte Artificial,
Sistemas de Localización, Emisoras,…)
Tanques de fuel.
Presión de los neumáticos.
Interesa usar protocolos:
Flexibles.
Sencillos.
Compactos.
Eficientes.
El sistema debe presentar una topología sencilla, de gran
seguridad y redundancia.
Introducción
Se puede añadir en cualquier instante un elemento al sistema
con sólo conectarlo a los buses: arquitectura abierta. Si no
hubiera buses se limitaría el número de dispositivos
conectados a la CPU.
Sistema microprocesador:
– CPU único maestro.
– Los dispositivos de memoria y periféricos funcionan como
esclavos.
El bus de datos es utilizado
como líneas de salida y/o como
camino de entrada por la CPU
según sea la operación.
Los buses que comunican la
CPU con el exterior son tres :
-Bus de control
-Bus de datos
-Bus de direcciones
Los módulos o dispositivos de
aviónica conectados al “bus”
pueden seleccionar y adquirir
las señales que necesitan para
sus funciones operativas.
Arquitectura abierta
Requisitos necesarios en el diseño
del bus de datos
Evitar conflictos en la conexión de los dispositivos al bus de
datos: cortocircuito en orden de lectura.
Respetar los tiempos de acceso de los diferentes
dispositivos del sistema: fiabilidad de comunicación entre la
CPU y sus periféricos.
Los buses se diferencian por sus protocolos de arbitraje.
Técnicas de detección y corrección del error propio de cada
uno de los buses.
Clasificación
Atendiendo a:
– la naturaleza del soporte de la transmisión
– la topología de la red.
– la capacidad de tráfico soportado.
– su nivel de relación (conexión), protocolos de
arbitraje y las detecciones y correcciones de
errores
Descripción básica arquitecturas
Los buses de datos aeronáuticos nacen de la
necesidad de comunicación de los distintos equipos,
indicadores y controladores del avión.
Este tipo de buses priorizan dos características
principales: fiabilidad y velocidad de transmisión.
Dos tipos de arquitectura: unidireccional y
bidireccional.
Descripción básica arquitecturas
Bus Unidireccional: un emisor y un cierto número
de receptores conectados al cable del bus.
Bus Bidireccional: cualquier usuario puede recibir
datos y transmitir. En cada instante sólo está
transmitiendo un emisor, mientras que el resto de los
T-R permanecen a la escucha.
Diagrama de bloques de las
arquitecturas
T: transmisor
R: receptor
Bus unidireccional
Bus bidireccional
Control de tráfico en el bus de datos
Modelo centralizado: existe un controlador del bus
y todos los usuarios son dirigidos por él. Requiere
redundancia de controlador.
Modelo distributivo: todos los usuarios de la red
controlan su propio acceso.
BUSES
UNIDIRECCIONALES
BUSES
BIDIRECCIONALES
Simple de diseñar.
Disminución de peso.
Robusto y
tolerante a fallos.
Reducción de la labor
de comprobación de
cableado.
Ardua labor de
cableado: caro y
pesado.
Complejidad: gran
esfuerzo de ingeniería
para Integración.
Transmisión síncrona y asíncrona
Transmisión asíncrona: transmisión de datos de velocidades lentas.
La coordinación entre el emisor y el receptor se hace sólo a nivel de
carácter. Se conoce como transmisión Start / Stop.
Transmisión síncrona: Se envía de una vez un bloque de caracteres
estando exactamente en fase emisor y receptor, durante el tiempo
que dura la transmisión. Cada carácter va seguido de otro carácter
hasta completar un bloque. Dentro de un bloque los bits se
transmiten a intervalos de tiempos iguales.
Bloque de datos en transmisión síncrona: carácter de sincronismo,
identificación del bloque, texto, carácter de fin de bloque y carácter
de detección de error
Modos de explotación del circuito de
datos
Simplex:
Transmisión en un sólo sentido, sin posibilidad de hacerlo
en el opuesto. Un solo transmisor y múltiples receptores
Semiduplex:
Transmisión alternativamente en uno u otro sentido,
exigiendo un cierto tiempo para cada inversión.
Duplex:
Transmisión simultánea e independiente en ambos
sentidos, o bien datos en uno y control de los mismos en el
otro. Múltiples transmisores y múltiples receptores
BUS IEEE 488 (GPIB)
IEEE 488 o GPIB (General Purpose Interface Bus) describe un
interface estándar para comunicaciones entre instrumentos y
controladores de varios distribuidores.
El bus GPIB está constituido por un cable de 24 conductores
que permiten a los diferentes aparatos de un sistema
comunicarse entre ellos. Estos pueden estar conectados en
estrella, en serie, o en combinaciones estrella-serie.
Los datos que pueden transmitirse por este bus son de tipo
digital.
Tendencia actual
Equipo principal que controla todos los demás y recibe
información de estos para procesarla y presentarla a la
tripulación.
Medios de transmisión: cableado y fibra óptica.
Características que definen el funcionamiento del bus:
Bus de control.
La velocidad de transferencia de datos.
Las estructuras de las palabras y los mensajes.
Ejemplos de buses empleados en la
transmisión de
Datos en las aeronaves civiles:
ARINC 419
ARINC 429
ARINC 561
ARINC 575
ARINC 568
ARINC 629
Aviones con ARINC 429
Familia Boeing: 727, 737, 747, 757 y 767
Aviones con ARINC 429
Airbus A-310, A-320, A-330 y A-340
Aviones con ARINC 429
MD-11
Helicópteros Bell
Aplicaciones más importantes del
ARINC 429
Comunicación de datos en Aeronáutica.
Convertidor de serie a paralelo.
Convertidor de paralelo a serie.
ARINC 429
Gran parte del equipamiento del avión relacionado
con este bus. Los distintos equipamientos vienen
identificados con números asignados digitales,
llamados EQUIPMENT ID .
Un bus de datos ARINC 429 usa señales para
transmitir mensajes(32 Bits words).
La transmisión secuencial de palabras están
separadas por Bits Times”NULL”(0 voltios). Esto
elimina la necesidad de separar los mensajes con
una señal de reloj.
ARINC 429
Transmisión de 10+/-1 V de diferencia de las señales, siendo
tanto negativas como positivas: conocido como modulación
Bipolar return-to-zero BPRZ.
La señal puede estar entre uno de estos tres niveles:
1) HI , la diferencia entre los dos cables es de entre 7,5V y
11V.
2) NULL, cuando la diferencia es de 0,5V y -0,5V
3) LO, la diferencia es de entre -7,25 y - 11V.
El voltaje recibido depende de la longitud de línea y del
número de receptores conectados al bus. Máximo 20
receptores.
Los circuitos de transmisión y de recepción se deben diseñar
para enviar y detectar la transición nula entre los estados
altos y bajos.
Descripción Bus ARINC 429
Para transmitir se usa una señal binaria RZ:
Dos velocidades de transmisión: 12.5 Kbits/s y 100 Kbits/s
Arquitectura
Los equipos pueden ser:
- Transmisores
- Receptores
- Transmisores / Receptores
Todos los datos son transmitidos por un par de
cables trenzados y en una sola dirección.
Características
Medio de transmisión: par de cables trenzados de 78 Ω. Este trenzado
se tiene que poner a tierra en ambos extremos.
Un transmisor es capaz de soportar una carga máxima de 400 Ω.
Un receptor debe tener como entrada efectiva mínima una impedancia
de 8 k Ω.
El transmisor debe tener una impedancia de salida continua de 75 +- 5
Ω balanceada entre los cables del par trenzado.
La resistencia de entrada diferencial del receptor y la resistencia a tierra
no debe ser inferior a 12.000 Ω, con una impedancia total de entrada no
inferior a 8.000 Ω.
La capacidad de entrada diferencial no debe ser mayor de 50 Ω.
Descripción Bus ARINC 429
-Se trata de un Bus Unidireccional de baja velocidad.
-El medio físico es Par Trenzado Apantallado.
- Impedancia de 78 Ohmios.
Bus de datos y formato de
codificación
Descripción Bus ARINC 429
-Palabras de 32 bits:
-Se pueden distinguir 5 campos distintos en cada palabra:
Bit de Paridad
SSM
Datos
SDI
Etiqueta
ARINC 429
Formato de palabra de 32 bits
Paridad
Signo + Estado
Datos
SDI: Identificación origen / receptor
Etiqueta identificadora de la información
Desventaja: Mucho cableado
Sistema caro y pesado
Formatos de palabra y mensaje
Emplea modulación bipolar de retorno a cero, RZ.
El elemento básico de información: palabra digital de 32 bits.
Cada palabra contiene 5 campos:
– Etiqueta (“Label”): bits 1 a 8.
El contenido se suele expresar como un número octal y puede tener
diferente significado según la aplicación.
– Identificador de origen/destino (“SDI”): bits 9 y 10
– Dato (“Data Field”): bits 11 a 29
Los formatos de datos comunes son el “Binary Coded Decimal
(BCD)” y el “binary encoding (BNR)”. También podemos encontrarnos un
formato mixto de los anteriores.
– Matriz de Signo/ Estado (“SSM”): bits 30 y 31
0 0 Failure warning
1 0 No computed data
0 1 Functional Test
1 1 Normal operation
– Paridad (“Parity”): bit 32 (En ARINC 429 bit de imparidad: 1 lógico)
ARINC 429
Circuito típico para la formación de palabras ARINC 429:
Subrutina en el
sistema transmisor
Decodificación de palabra ARINC 429
Descripción bus ARINC 429
- En la especificación del ARINC 429 se incluye una lista de etiquetas
para cada equipo y según el avión.
Tipos de datos
BCD
Breve explicación teórica.
Codificación en ARINC.
Ejemplo de formato de palabra BCD
Tipos de datos
BNR
Explicación teórica. (complemento a dos)
Localización de las cifras significativas en ARINC.
Tipos de datos
Otros formatos
Formatos mixtos
Formatos discretos
Información discreta
Ejemplos de etiquetas BCD
Ejemplos de etiquetas BNR